秦志勇

（廣西申龍汽車制造有限公司，廣西 南寧 530299）

1 純電動客車制動系統(tǒng)特點

制動系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，對汽車的安全行駛至關重要，純電動客車制動系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)客車，主要在供氣源和供氣模式，純電動客車由電動打氣泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)客車由發(fā)動機驅(qū)動打氣泵給制動系統(tǒng)供氣，傳統(tǒng)客車發(fā)動機運行驅(qū)動打氣泵給制動系統(tǒng)供氣，達到設定的最大氣壓，由泄壓裝置不停的泄壓；而純電動制動系統(tǒng)則不同，達到設定最大氣壓，電動打氣泵立即停機節(jié)省能源消耗，待到氣壓低于整車設定的啟動氣壓，電動打氣泵又立即啟動充氣。因此，純電動客車制動性能的匹配設計非常重要，既要滿足國標對制動系統(tǒng)的各項指標要求，又不能過多的消耗能源，使整車運行達到最佳經(jīng)濟性能。本研究針對新開發(fā)的一款12 m 純電動城市客車，探討制動系統(tǒng)的優(yōu)化技術并調(diào)試確定最優(yōu)參數(shù)。

2 12 m 純電動城市客車制動簡述

2.1 整車基本參數(shù)

12 m 純電動城市客車基本參數(shù)見表1。

表1 整車基本參數(shù)

2.2 制動系統(tǒng)配置參數(shù)

12 m 純電動城市客車制動系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 制動系統(tǒng)配置參數(shù)

2.3 制動系統(tǒng)性能指標

根據(jù)GB7258-2017 機動車運行安全技術條件[1-6]，主要制動性能指標如下：

（1）制動初速度為30 km/h 時，空載制動距離≤9 m。

（2）制動初速度為30 km/h 時，滿載制動距離≤10 m。

（3）儲氣筒的容量應保證在額定工作氣壓且不連續(xù)充氣的情況下，連續(xù)全行程制動5 次后，氣壓不低于起步氣壓。為了應付特殊情況制動要求，連續(xù)全行程制動次數(shù)，調(diào)整為8 次，氣壓不低于起步氣壓。

（4）在空載狀態(tài)下，駐車制動裝置應能保證機動車在坡度為20%（對總質(zhì)量為整備質(zhì)量的1.2 倍以下的機動車為15%）、輪胎與路面間的附著系數(shù)大于或等于0.7的坡道上正、反兩個方向保持固定不動，時間應大于或等于2 min。

2.4 制動系統(tǒng)工作原理

制動系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。電動打氣泵將干凈的空氣壓縮后，經(jīng)干燥器冷卻、除油、除水，送至儲氣筒保存。制動系統(tǒng)分成兩個回路：一個回路經(jīng)后儲氣筒、制動總泵上腔通向后制動氣室；另一個回路經(jīng)前儲氣筒、制動總泵下腔通往前制動氣室。當其中一個回路發(fā)生故障失效時，另一個回路仍能繼續(xù)工作，以保證汽車具有一定的制動能力，從而提高汽車行駛的安全性。

圖1 制動系統(tǒng)工作原理圖

3 駐車制動性能計算與分析

后橋駐車制動器所能提供的最大制動力矩為19 600 N·m。

所能提供的最大駐車角度滿足：mgψsinα=19600×1000/R=38 281 N。

空載時，α= arcsin（38281/12000/9.8/0.7）= 28°，坡度為53%[2-4]。

滿載時，α=arcsin（38281/18000/9.8/0.7）=18°，坡度為32%。

根據(jù)計算數(shù)據(jù)可知，同時滿足：GB12676-2014 關于駐車制動系必須使?jié)M載的車輛可以停在18%的坡道上和GB7258-2017 機動車運行安全技術條件要求。

4 行車制動性能計算與分析

4.1 地面對前后輪法向反作用力

地面對前后輪法向反作用力[3-5]（忽略空氣阻力、滾動阻力及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時產(chǎn)生的慣性力偶矩等因素影響），如圖2。分別對前后軸取力矩求得地面對前后輪的法向反作用力公式為（λ為制動減速度與重力加速度的比值）：

圖2 地面對前后輪法向反作用力

4.2 理想前后制動器制動力分配曲線

制動時前、后輪同時抱死，對附著條件的利用、制動時汽車的方向穩(wěn)定性均較為有利[4-6]。在任何附著系數(shù)的路面上，前、后輪同時抱死的條件是：前后輪制動器制動力之和等于附著力，并且前、后輪制動器制動力分別等于各自的附著力，得出下面公式。

根據(jù)不同的附著系數(shù)，可求得滿載時前、后輪制動力關系數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 不同附著系數(shù)滿載前輪制動力數(shù)據(jù)

表4 不同附著系數(shù)滿載后輪制動力數(shù)據(jù)

用表3 和表4 的數(shù)據(jù)可繪出，在制動時地面對前后輪法向反作用力曲線，圖3 所示。由制動時地面對前后輪法向反作用力的變化情況可知，當制動強度或附著系數(shù)改變時，前后輪法向反作用力變化是很大的。

圖3 制動時地面對前后輪法向反作用力曲線

根據(jù)表3、表4 數(shù)據(jù)繪制出圖4 曲線，即為理想的前、后輪制動器制動力分配曲線。

圖4 理想的前、后輪制動器制動力分配曲線

4.3 空、滿載實際制動力分配比

整車空、滿載實際制動力分配比β為：

式中，F(xiàn)μ1為前橋制動器的制動力；Fμ2為后橋制動器的制動力。

4.4 同步附著系數(shù)

空載同步附著系數(shù)為：Φk=（L×β-bk）/hgk=0.70

滿載同步附著系數(shù)為：Φm= （L×β-bm）/hgm=0.54其中：Φk、Φm為空、滿載同步附著系數(shù)；β為前后橋制動力分配比；bk、bm為空、滿載質(zhì)心到后橋中心線的距離（mm）；hgk、hgm為空、滿載重心高度[7-8]。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知：滿載時，當?shù)孛娓街禂?shù)小于0.54 時，前輪先抱死；當?shù)孛娓街禂?shù)大于0.54 時，后輪先于前輪抱死。因滿載的同步附著系數(shù)比較小，滿載制動時后輪抱死趨勢比較明顯，導致后輪ABS 易觸發(fā)。

4.5 行車制動距離的計算分析

整車行車制動距離的計算公式如下：

式中，t1為機構滯后時間（一般在0.2 ～1.6 s）；t2為制動增長時間（氣壓制動為0.2 ～0.6 s）。氣制動t1可忽略不計，取最小值，t2取中間值，所以得出：t1= 0.2 s ，t2= 0.4 s。v1為制動初速度，30 km/h；dmax為最大穩(wěn)定制動減速度（m/s2）。

最大制動減速度計算：

車輛空、滿載附著系數(shù)為0.8 時，由公式（1）計算法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力，見表5。

表5 空、滿載前后輪法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力

空、滿載前、后橋制動器最大制動力距在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動力，見表6。

表6 空、滿載制動器制動力距產(chǎn)生的最大制動力

F前空=F前滿=33000/R=33000/0.512=64 453 N

F后空=F后滿=32000/R=32000/0.512=62 500 N

對比表5 與表6 數(shù)據(jù)可知，空載法向作用力產(chǎn)生的最大摩擦力小于對應空載前、后橋制動器最大制動力矩在輪胎與地面接觸處產(chǎn)生的制動力，而滿載的情況正好相反。實際應用中，使用前、后橋制動器產(chǎn)生的最大制動力計算最大制動減速度：

由F=mdmax，可知：dmax=F/m，根據(jù)公式計算空、滿載最大制動減速度分別為：10.6 m/s2、7.1 m/s2。

把以上數(shù)據(jù)代入公式（5），在額定工作氣壓為1 MPa，初速度為30 km/h，附著系數(shù)為0.8 的干燥平直路面上制動時，制動距離為：

5 整車打氣時間計算與分析

整車打氣泵、儲氣筒相關參數(shù)見表7。

表7 打氣泵、儲氣筒相關參數(shù)

打氣時間計算式如下：

其中，T為打氣時間（分）；P為壓力單位MPa（1 MPa=10標準大氣壓）；η為打氣泵工作效率；Ω為儲氣筒總容積；δ為打氣泵排量（L/min）。

在忽略管路及各閥類零部件容積情況下，把數(shù)據(jù)代入公式得：

打氣壓力1 MPa 時，打氣時間為5.5 min；駐車制動解除壓力0.52 MPa，打氣時間為2.8 min。根據(jù)計算結果可知，打氣時間滿足GB12676 的要求：至廠定解除駐車制動壓力的升壓時間不大于3 min，至廠定最大氣壓的升壓時間不大于6 min 的要求。

樣車多次實測時間均比理論計算的稍微少用時10秒左右，主要原因可能是電動打氣泵為新泵，實際打氣工作效率比75%稍高。

6 制動儲氣筒容積核算與驗證

整車前、后輪制動系統(tǒng)儲氣參數(shù)見表8。

表8 前、后輪制動系統(tǒng)儲氣參數(shù)表

以上數(shù)據(jù)，前、后輪制動系統(tǒng)帶氣壓管路和不帶氣壓管路總容積，根據(jù)鋪設管路長度進行測算。

假設制動系統(tǒng)溫度與外界溫度基本相同，忽略溫度對氣體的影響。

其中：P為初始壓力（MPa）；V為初始制動系統(tǒng)有效容積；V2為行車制動氣室總容積（L）；V3為不帶氣壓管路總容積（L）；Pn為實施第n 次制動時的制動系統(tǒng)的氣壓。

前輪制動與駐車制動無直接關聯(lián)，但為了驗證前后制動系統(tǒng)制動性能一致性，也校核前制動儲氣筒是否滿足要求。把相關數(shù)據(jù)代入（7）得：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，整個制動系統(tǒng)制動性能均滿足國標GB12676 儲氣筒的容量應保證在額定工作氣壓且不繼續(xù)充氣的情況下，機動車在連續(xù)5 次踩到底的全行程制動后，氣壓不低于起步氣壓[8-10]。

為了安全起見，儲氣筒的容量應保證在額定工作氣壓且不連續(xù)充氣的情況下，連續(xù)全行程制動8 次（GB7258 為5 次）后，氣壓不低于起步氣壓，制動指標高于GB7258 要求標準。

根據(jù)表8 數(shù)據(jù)代入公式（7）得：

根據(jù)理論計算連續(xù)全行程制動8 次后，前、后制動系統(tǒng)都滿足氣壓不低于起步氣壓。

樣車試制完成后，對樣車進行多次連續(xù)8 次全行程制動測試實驗，測試均值為0.55 MPa（與理論計算結果比較接近）大于機動車起步壓力0.52 MPa，滿足12 m 純電動城市客車制動指標要求。

7 結束語

制動系統(tǒng)是汽車不可缺少的功能配置，制動性能直接影響汽車行駛安全，本研究結合GB7258-2017、GB12676-2014 要求和實際情況，在滿足國標和行業(yè)關于制動性能的技術要求外，加大部分制動性能指標的設計要求，以便能滿足在各種不可預知極端環(huán)境下制動系統(tǒng)的使用，從而保證汽車的安全行駛。